EP4111154B1 - Sensor and method for producing a sensor - Google Patents

Sensor and method for producing a sensor Download PDF

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EP4111154B1
EP4111154B1 EP21701717.7A EP21701717A EP4111154B1 EP 4111154 B1 EP4111154 B1 EP 4111154B1 EP 21701717 A EP21701717 A EP 21701717A EP 4111154 B1 EP4111154 B1 EP 4111154B1
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EP
European Patent Office
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membrane
diaphragm
strain element
sensor
expansion element
Prior art date
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EP21701717.7A
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German (de)
French (fr)
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EP4111154A1 (en
Inventor
Bettina MILKE
Andreas Peschka
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Publication date
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Publication of EP4111154B1 publication Critical patent/EP4111154B1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm

Definitions

  • a sensor is specified.
  • a method for producing a sensor is specified.
  • the US6,510,742 B1 discloses a pressure sensor in which an insulating silicon dioxide layer is applied directly to a membrane. Piezoresistive resistors are in turn applied to the silicon dioxide layer.
  • the EP2637008A2 discloses a very similar structure in which a strain element has a sensor layer and a silicon dioxide layer. The latter layer is applied directly to the membrane. However, the structure of the sensor layer is not specified in more detail.
  • Piezoresistive resistance elements are surrounded by insulating silicon dioxide and embedded in a plasma nitride layer.
  • the expansion element is not applied to a membrane but to carrier bodies, which in turn support a membrane.
  • a bonding layer is also provided between the plasma nitride layer and the carrier bodies.
  • One problem to be solved is to provide a sensor that can withstand high temperatures and can also be used in aggressive media.
  • Another problem to be solved is to provide a method for producing such a sensor.
  • the senor is specified.
  • the sensor is in particular a pressure sensor for measuring pressure in liquids or gases.
  • the sensor can be used, for example, in industrial plants, in reactors or in refrigeration/air conditioning systems.
  • the senor comprises a deformation body with a membrane for deformation when pressure is applied by a medium.
  • the deformation body can also have a carrier body to which the membrane is mechanically connected.
  • the membrane is arranged on the carrier body in such a way that it can move relative to the carrier body.
  • the membrane is designed to oscillate relative to the carrier body and/or to be bent relative to the carrier body.
  • the carrier body is, for example, ring-shaped or frame-shaped, so that the carrier body laterally surrounds a cavity.
  • the membrane is arranged on the carrier body in such a way that it delimits and closes the cavity in a vertical direction, perpendicular to the lateral direction, and thereby forms a cover surface on the carrier body.
  • a lateral direction here and below refers to a direction parallel to the main extension plane of the membrane.
  • the membrane In the area not supported by the carrier body, i.e. in the area bordering the cavity, the membrane can vibrate or bend.
  • the carrier body and the membrane can be formed as one piece or can be different elements applied to one another.
  • the carrier body and the membrane can be made of different or the same materials.
  • the membrane has, for example, a maximum and/or average thickness, measured perpendicular to the main plane of extension of the membrane, of between 50 ⁇ m and 1 mm, preferably between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the thickness of the membrane also depends on the material of the membrane.
  • the senor comprises an expansion element applied to the membrane and secured to the membrane.
  • the expansion element is, for example, a semiconductor chip.
  • the expansion element is preferably applied to a side of the membrane facing away from the carrier body.
  • the expansion element is only or mostly applied to the area of the membrane that is not supported by the carrier body, i.e. in the area that can vibrate freely. If the membrane is bent as a result of pressure from a medium, the expansion element is also bent.
  • the expansion element is designed to convert a pressure-induced bending stress of the deforming body into an electrical signal.
  • the strain element is based on SOI (silicon-on-insulator) technology and has a silicon substrate, a SiO 2 layer, e.g. on the silicon substrate, and several piezoresistive resistors.
  • the silicon substrate can consist of doped silicon or undoped silicon.
  • the silicon substrate preferably extends over the entire or almost the entire lateral extent of the expansion element.
  • the silicon substrate forms a component of the expansion element that supports the expansion element and is preferably self-supporting.
  • the silicon substrate can have traces of a separation process, for example traces of physical or chemical material removal, on side surfaces that run transversely to the main extension plane of the membrane. These traces result, for example, from a separation process in which the expansion element is removed from a wafer.
  • the piezoresistive resistors are preferably made of doped silicon.
  • the piezoresistive resistors are contacted, for example, by metallic conductor tracks.
  • the SiOg layer preferably lies in a plane between the piezoresistive resistors and the silicon substrate.
  • the silicon substrate preferably faces the membrane and the piezoresistive resistors face away from the membrane.
  • the piezoresistive resistors are electrically insulated from the silicon substrate, for example by the SiO 2 layer.
  • the expansion element comprises, for example, at least two or at least four piezoresistive resistors.
  • the piezoresistive resistors are connected to one another in particular to form a network, such as a half bridge, a full bridge, a voltage divider or a Wheatstone measuring bridge.
  • a network such as a half bridge, a full bridge, a voltage divider or a Wheatstone measuring bridge.
  • the piezoresistive resistors are dielectrically insulated from each other and preferably also from the silicon substrate.
  • the dielectric insulation is, for example, at least partially achieved by the SiO 2 layer.
  • the piezoresistive resistors are not connected to each other by semiconducting material in such a way that a current flow could occur between the resistors at high temperatures.
  • the piezoresistive resistors are not electrically insulated from each other by pn junctions alone.
  • the senor comprises a deformation body with a membrane for deformation when pressure is applied by a medium and a Strain element.
  • the strain element is based on SOI technology and has several piezoresistive resistors.
  • the present invention is based, among other things, on the idea of arranging a strain element based on SOI technology on a deformation body with a membrane.
  • the piezoresistive resistors are dielectrically insulated from one another. In contrast to pni-insulated piezoresistive resistors, this allows use even at high temperatures. The insulation between the piezoresistive resistors remains stable even at high temperatures.
  • the sensor described here can therefore be used at temperatures of over 250 °C, for example at 400 °C.
  • the deformation body with the membrane, which is separate from the expansion element, can also be selected so that it can withstand aggressive media, such as exhaust gases or fuel.
  • the sensor is then used in such a way that the medium is supplied from a side facing away from the expansion element, so that the medium preferably does not come into contact with the expansion element.
  • the piezoresistive resistors are laterally exposed Si resistors. This means that the resistors are spaced apart from one another in the lateral direction by a gas-filled trench or gap. The area between two resistors is therefore not or not completely filled with solid material.
  • the piezoresistive resistors protrude in the direction perpendicular to the main extension plane of the membrane.
  • the resistors comprise or consist of for example made of p- or n-doped silicon.
  • the SiO 2 layer is preferably arranged between the resistors and the silicon substrate so that the Si resistors are supported by the SiO2 layer.
  • the piezoresistive resistors each comprise or consist of a spatially free Si nanowire (Si nanowire).
  • the aspect ratio of the nanowires is, for example, at least 5 or at least 10 or at least 20.
  • the Si nanowires each consist, for example, of p- or n-doped silicon.
  • the longitudinal axes of the Si nanowires preferably extend parallel to the main extension plane of the membrane. "Spatially free" means that the Si nanowires are not supported over part of their length but are undermined.
  • the SiOg layer can be removed in the area below the nanowires so that the nanowires can oscillate freely in the vertical direction. For example, the nanowires are only supported at their long ends and rest there, for example, on the SiO 2 layer.
  • the nanowires may also not be undermined and may be supported along their entire length, for example by the SiO 2 layer.
  • a connecting means is arranged between the membrane and the expansion element.
  • the expansion element is attached to the membrane via the connecting means.
  • the connecting means borders on the membrane on one side and on an opposite side on the Silicon substrate of the expansion element.
  • the connecting element is preferably selected so that the connection remains stable even at high pressures on the membrane, for example of more than 100 bar, and at high temperatures, for example of more than 250 °C.
  • the connecting means consists, for example, of different materials than the expansion element and the deformation body.
  • a maximum and/or average thickness of the connecting means, measured perpendicular to the main extension plane of the membrane, is, for example, at most 20 ⁇ m, for example between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m inclusive.
  • the connecting means preferably has a similar thermal expansion coefficient to that of the membrane. For example, the thermal expansion coefficients of the membrane and the connecting means differ from one another by at most 10%.
  • the modulus of elasticity of the connecting means is at least as large as that of the membrane.
  • the modulus of elasticity of the connecting means is at least 5% or at least 10% larger than the modulus of elasticity of the membrane.
  • the connecting means comprises or consists of one or more of the following materials: glass solder, metal solder, inorganic adhesive, organic adhesive.
  • the connecting material is an Au-Sn solder.
  • Such connecting means ensure a stable connection even at high pressures and temperatures.
  • the connecting material is made of such a material that it only deforms reversibly during normal use, for example at pressures of up to 1000 bar.
  • the expansion element covers a large part of the membrane.
  • the expansion element covers at least 50% or at least 75% or at least 90% of the membrane.
  • the expansion element covers all areas of the membrane that are not supported by the carrier body.
  • the expansion element is connected to the membrane over a large part of its lateral extent.
  • the lateral extent of the expansion element is its extent parallel to the main extension plane of the membrane.
  • the expansion element is connected to the membrane along at least 75% or at least 90% or along its entire lateral extent and is supported by the membrane.
  • the expansion element can be connected directly to the membrane or indirectly to the membrane via the connecting means. Particularly preferably, no gas-filled cavity in which the expansion element is not supported by the membrane is formed between the expansion element and the membrane.
  • the expansion element has a maximum thickness of at most 200 ⁇ m or at most 150 ⁇ m or at most 100 ⁇ m.
  • the maximum thickness of the expansion element is at least 10 ⁇ m or at least 20 ⁇ m.
  • the thickness is measured perpendicular to the main extension plane of the expansion element.
  • the silicon substrate can be thinned compared to its initial thickness that it has in the wafer composite, for example by grinding.
  • the deformation body in particular the membrane, comprises or consists of one or more of the following materials: glass, sapphire, silicon, steel, such as stainless steel, ceramic, such as ZrO 2 or Al 2 O 3 .
  • the membrane is formed from such a material that it only deforms reversibly during normal operation, for example at pressures of up to 1000 bar.
  • the piezoresistive resistors are arranged in an edge region of the membrane.
  • the piezoresistive resistors are preferably arranged in a region of the membrane that is not supported by the carrier body, but which is directly adjacent to the carrier body.
  • the piezoresistive resistors are arranged in the region of the membrane in which the membrane and thus the expansion element experiences the greatest bending stress when pressure is applied.
  • the fact that the piezoresistive resistors are arranged in a region of the membrane means that the piezoresistive resistors overlap with this region when viewed from above.
  • the method for producing a sensor is specified.
  • the method is particularly suitable for producing a sensor described here. All features disclosed in connection with the sensor are therefore also disclosed for the procedure and vice versa.
  • the method comprises a step A) in which a deformation body with a membrane for deformation under the action of pressure by a medium is provided.
  • the method further comprises a step B) in which an expansion element is provided, wherein the expansion element is based on SiOg technology and has several piezoresistive resistors.
  • the expansion element is then applied to the membrane and attached.
  • the expansion element is manufactured, for example, from a wafer composite comprising a silicon substrate, a silicon layer and a silicon dioxide layer (SiO 2 layer) arranged between the silicon layer and the silicon substrate.
  • the piezoresistive resistors are then manufactured from the silicon layer, for example by etching.
  • the silicon substrate can then be thinned to a desired thickness, for example by grinding.
  • the expansion element is attached to the membrane using a direct bonding process.
  • the silicon substrate of the expansion element is brought into direct contact with the membrane, which is made of ceramic, for example.
  • the expansion element is attached to the membrane via a connecting means.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the sensor in a cross-sectional view.
  • the sensor comprises a deformation body 1 with a membrane 10 and a carrier body 11.
  • the membrane 10 is supported in edge areas by the carrier body 11. In an inner area of the membrane 10, it is not supported by the carrier body 11 and is freely oscillating or freely bendable relative to the carrier body 11.
  • the membrane 10 and the carrier body 11 are formed in one piece and consist, for example, of ceramic.
  • the carrier body 11 and the membrane 10 are not formed integrally with one another and, for example, consist of different materials.
  • the expansion element 2 is arranged on a side of the membrane 10 facing away from the carrier body 11.
  • the expansion element 2 is a semiconductor chip based on SOI technology.
  • the expansion element 2 comprises a silicon substrate 22 and a SiO 2 layer 21 on the silicon substrate 22.
  • Laterally exposed piezoresistive resistors 20 made of silicon are arranged on a side of the SiO 2 layer 21 facing away from the silicon substrate 22.
  • the piezoresistive resistors 20 are electrically insulated from one another and also from the silicon substrate 22 by the SiO 2 layer.
  • the piezoresistive resistors 20 are passivated by a passivation layer 23, for example made of silicon nitride.
  • the piezoresistive resistors 20 are electrically contacted via metallic conductor tracks 24.
  • the side of the membrane 10 facing away from the expansion element 2 is brought into contact with a medium, for example a liquid such as oil or water.
  • a medium for example a liquid such as oil or water.
  • the pressure exerted by the medium on the membrane 10 causes the membrane 10 to bend.
  • This stress changes the resistance value of the piezoresistive resistors 20, which can be measured via the contact through the conductor tracks 24.
  • the piezoresistive resistors 20 are connected to form a Wheatstone measuring bridge, for example.
  • the expansion element 2 is applied directly to the membrane 10 such that the silicon substrate 22 is in direct contact with the membrane 10.
  • the expansion element 2 is applied to the membrane 10 via direct bonding.
  • the expansion element 2 completely covers the membrane 10, in particular the unsupported part of the membrane 10.
  • the expansion element 2 is directly connected to the membrane 10 along the entire lateral extent of the expansion element 2.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the sensor.
  • the expansion element 2 is constructed in the same way as in the Figure 1 .
  • the expansion element 2 is applied to the membrane 10 via a connecting means 3 and is connected to the membrane 10 via this.
  • the connecting means 3 is, for example, a glass solder or a metal solder or an organic adhesive or an inorganic adhesive.
  • the modulus of elasticity of the connecting means 3 is preferably at least as large as that of the membrane 10.
  • the membrane 10 is made of stainless steel, for example.
  • Figure 3 shows a third embodiment of the sensor in cross-sectional view.
  • the piezoresistive resistors 20 each comprise a nanowire made of silicon.
  • the nanowires are spatially freed in such a way that the nanowires are at least in areas unsupported and hang freely above the silicon substrate 22.
  • the SiO 2 layer is thus partially removed in the area below the nanowires so that the nanowires are not supported by the SiO 2 layer there.
  • the expansion element 2 is again attached to the membrane 10 using a connecting means 3.
  • Figure 4 shows a top view of the third embodiment of the sensor. It can be seen that the expansion element 2 comprises four piezoresistive resistors 20, each with a nanowire. The piezoresistive resistors 20 are connected to one another via metallic conductor tracks 23 to form a Wheatstone measuring bridge.
  • Figure 5 shows a position in an embodiment of the method for producing a sensor.
  • a strain element 2 based on SOI technology with several piezoresistive resistors 20 and a deformation body 1 with a membrane 10 are provided.
  • the strain element 2 is applied to the membrane 10 and fastened thereto.
  • the case is shown in which the strain element 2 is applied directly to the membrane 10, for example by direct bonding.
  • the strain element 2 could be fastened to the membrane 10 using a connecting means.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

Es wird ein Sensor angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors angegeben.A sensor is specified. In addition, a method for producing a sensor is specified.

Die US 6,510,742 B1 offenbart einen Drucksensor, bei dem eine isolierende Siliziumdioxidschicht direkt auf einer Membran aufgebracht wird. Piezoresistiven Widerstände sind wiederum auf der Siliziumdioxidschicht aufgebracht.The US6,510,742 B1 discloses a pressure sensor in which an insulating silicon dioxide layer is applied directly to a membrane. Piezoresistive resistors are in turn applied to the silicon dioxide layer.

Die EP 2637008 A2 offenbart einen sehr ähnlichen Aufbau, bei dem ein Dehnungselement eine Sensorschicht und eine Siliziumdioxidschicht aufweist. Letztere Schicht ist direkt auf der Membran aufgebracht. Der Aufbau der Sensorschicht wird jedoch nicht näher spezifiziert.The EP2637008A2 discloses a very similar structure in which a strain element has a sensor layer and a silicon dioxide layer. The latter layer is applied directly to the membrane. However, the structure of the sensor layer is not specified in more detail.

Bei einem in der US 5,471,086 A offenbarten Sensor werden eine Membran und ein Dehnungselement gezeigt. Piezoresistive Elemente sind an Stellen auf die Membran aufgebracht, an denen an Oberfläche der Membran ein isolierender Siliziumdioxidfilm ausgebildet ist.In a US 5,471,086 A In the sensor disclosed, a membrane and a strain element are shown. Piezoresistive elements are applied to the membrane at locations where an insulating silicon dioxide film is formed on the surface of the membrane.

Gemäß US 4,975,390 A sind piezoresistive Widerstandselemente von isolierendem Siliziumdioxid umgeben und in eine Plasma-Nitridschicht eingebettet. Das Dehnungselement ist hier nicht auf eine Membran sondern auf Trägerkörpern, die wiederum eine Membran stützen, aufgebracht. Zwischen der Plasma-Nitridschicht und den Trägerkörpern ist weiterhin eine Bonding-Schicht vorgesehen.According to US 4,975,390 A Piezoresistive resistance elements are surrounded by insulating silicon dioxide and embedded in a plasma nitride layer. The expansion element is not applied to a membrane but to carrier bodies, which in turn support a membrane. A bonding layer is also provided between the plasma nitride layer and the carrier bodies.

Die Dokumente US 2005/284228 A1 , DE 10 2008 000128 A1 und US 2011/203381 A1 offenbaren weiterhin jeweils einen Drucksensor mit einer Membran, wobei das Dehnelement ein Siliziumsubstrat, eine Siliziumdioxidschicht und mehrere piezoresistive Widerstände aufweist.The documents US 2005/284228 A1 , EN 10 2008 000128 A1 and US 2011/203381 A1 further disclose a pressure sensor with a membrane, wherein the expansion element comprises a silicon substrate, a silicon dioxide layer and several piezoresistive resistances.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Sensor anzugeben, der hohen Temperaturen standhält und auch in aggressiven Medien eingesetzt werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors anzugeben.One problem to be solved is to provide a sensor that can withstand high temperatures and can also be used in aggressive media. Another problem to be solved is to provide a method for producing such a sensor.

Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor.These objects are achieved, among other things, by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject matter of the dependent patent claims and are also apparent from the following description and the figures.

Zunächst wird der Sensor angegeben. Bei dem Sensor handelt es sich insbesondere um einen Drucksensor für die Messung von Druck in Flüssigkeiten oder Gasen. Der Sensor kann beispielsweise in industriellen Anlagen, in Reaktoren oder in Kälte-/Klimaanlagen eingesetzt werden.First, the sensor is specified. The sensor is in particular a pressure sensor for measuring pressure in liquids or gases. The sensor can be used, for example, in industrial plants, in reactors or in refrigeration/air conditioning systems.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sensor einen Verformungskörper mit einer Membran zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium. Der Verformungskörper kann ferner einen Trägerkörper aufweisen, mit dem die Membran mechanisch verbunden ist. Bevorzugt ist die Membran so auf dem Trägerkörper angeordnet, dass sie sich relativ zu dem Trägerkörper bewegen kann. Insbesondere ist die Membran dazu eingerichtet, relativ zum Trägerkörper zu schwingen und/oder relativ zu dem Trägerkörper gebogen zu werden.According to at least one embodiment, the sensor comprises a deformation body with a membrane for deformation when pressure is applied by a medium. The deformation body can also have a carrier body to which the membrane is mechanically connected. Preferably, the membrane is arranged on the carrier body in such a way that it can move relative to the carrier body. In particular, the membrane is designed to oscillate relative to the carrier body and/or to be bent relative to the carrier body.

Der Trägerkörper ist beispielsweise ringförmig oder rahmenförmig, sodass der Trägerkörper einen Hohlraum lateral umgibt. Die Membran ist derart auf dem Trägerkörper angeordnet, dass sie den Hohlraum in vertikaler Richtung, senkrecht zur lateralen Richtung, begrenzt und abschließt und dabei eine Deckfläche auf dem Trägerkörper bildet. Eine laterale Richtung bezeichnet hier und im Folgenden eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene der Membran.The carrier body is, for example, ring-shaped or frame-shaped, so that the carrier body laterally surrounds a cavity. The membrane is arranged on the carrier body in such a way that it delimits and closes the cavity in a vertical direction, perpendicular to the lateral direction, and thereby forms a cover surface on the carrier body. A lateral direction here and below refers to a direction parallel to the main extension plane of the membrane.

In dem nicht von dem Trägerkörper gestützten Bereich, also in dem an den Hohlraum grenzenden Bereich, kann die Membran schwingen oder sich verbiegen. Der Trägerkörper und die Membran können einstückig miteinander ausgebildet sein oder können voneinander verschiedene, aufeinander aufgebrachte Elemente sein. Im zweiten Fall können der Trägerkörper und die Membran aus unterschiedlichen oder gleichen Materialien bestehen.In the area not supported by the carrier body, i.e. in the area bordering the cavity, the membrane can vibrate or bend. The carrier body and the membrane can be formed as one piece or can be different elements applied to one another. In the second case, the carrier body and the membrane can be made of different or the same materials.

Die Membran weist beispielsweise eine maximale und/oder mittlere Dicke, gemessen senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Membran, zwischen einschließlich 50 µm und 1 mm, bevorzugt zwischen einschließlich 100 µm und 500 µm auf. Die Dicke der Membran hängt dabei auch von dem Material der Membran ab.The membrane has, for example, a maximum and/or average thickness, measured perpendicular to the main plane of extension of the membrane, of between 50 µm and 1 mm, preferably between 100 µm and 500 µm. The thickness of the membrane also depends on the material of the membrane.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sensor ein auf die Membran aufgebrachtes und auf der Membran befestigtes Dehnungselement. Bei dem Dehnungselement handelt es sich beispielsweise um einen Halbleiterchip. Das Dehnungselement ist bevorzugt auf eine dem Trägerkörper abgewandte Seite der Membran aufgebracht. Besonders bevorzugt ist das Dehnungselement nur oder größtenteils in dem Bereich der Membran aufgebracht, der nicht von dem Trägerkörper gestützt ist, also in dem Bereich der frei schwingen kann. Wird die Membran infolge einer Druckeinwirkung durch ein Medium verbogen, so wird dann auch das Dehnungselement mit verbogen. Das Dehnungselement ist dazu eingerichtet, eine druckinduzierte Biegespannung des Verformungskörpers in ein elektrisches Signal umzuwandeln.According to at least one embodiment, the sensor comprises an expansion element applied to the membrane and secured to the membrane. The expansion element is, for example, a semiconductor chip. The expansion element is preferably applied to a side of the membrane facing away from the carrier body. The The expansion element is only or mostly applied to the area of the membrane that is not supported by the carrier body, i.e. in the area that can vibrate freely. If the membrane is bent as a result of pressure from a medium, the expansion element is also bent. The expansion element is designed to convert a pressure-induced bending stress of the deforming body into an electrical signal.

Das Dehnungselement basiert auf SOI-(Silicon-On-Insulator)-Technologie und weist ein Siliziumsubstrat, eine SiO2-Schicht, z.B. auf dem Siliziumsubstrat, und mehrere piezoresistive Widerstände auf. Das Siliziumsubstrat kann in einer Ausführungsform aus dotiertem Silizium oder undotiertem Silizium bestehen.The strain element is based on SOI (silicon-on-insulator) technology and has a silicon substrate, a SiO 2 layer, e.g. on the silicon substrate, and several piezoresistive resistors. In one embodiment, the silicon substrate can consist of doped silicon or undoped silicon.

Das Siliziumsubstrat erstreckt sich bevorzugt über die gesamte oder nahezu die gesamte laterale Ausdehnung des Dehnungselements. Insbesondere bildet das Siliziumsubstrat eine das Dehnungselement stützende, bevorzugt selbstragende Komponente des Dehnungselements. Das Siliziumsubstrat kann an quer zur Haupterstreckungsebene der Membran verlaufenden Seitenflächen Spuren eines Vereinzelungsprozesses, zum Beispiel Spuren eines physikalischen oder chemischen Materialabtrags, aufweisen. Diese Spuren resultieren beispielsweise aus einem Vereinzelungsprozess, bei dem das Dehnungselement aus einem Wafer herausgelöst wird.The silicon substrate preferably extends over the entire or almost the entire lateral extent of the expansion element. In particular, the silicon substrate forms a component of the expansion element that supports the expansion element and is preferably self-supporting. The silicon substrate can have traces of a separation process, for example traces of physical or chemical material removal, on side surfaces that run transversely to the main extension plane of the membrane. These traces result, for example, from a separation process in which the expansion element is removed from a wafer.

Die piezoresistiven Widerstände sind bevorzugt aus dotiertem Silizium gebildet. Die piezoresistiven Widerstände sind beispielsweise durch metallische Leiterbahnen kontaktiert.The piezoresistive resistors are preferably made of doped silicon. The piezoresistive resistors are contacted, for example, by metallic conductor tracks.

Die SiOg-Schicht liegt bevorzugt in einer Ebene zwischen den piezoresistiven Widerständen und dem Siliziumsubstrat. Das Siliziumsubstrat ist bevorzugt der Membran zugewandt und die piezoresistiven Widerstände der Membran abgewandt. Die piezoresistiven Widerstände sind beispielsweise durch die SiO2-Schicht von dem Siliziumsubstrat elektrisch isoliert.The SiOg layer preferably lies in a plane between the piezoresistive resistors and the silicon substrate. The silicon substrate preferably faces the membrane and the piezoresistive resistors face away from the membrane. The piezoresistive resistors are electrically insulated from the silicon substrate, for example by the SiO 2 layer.

Das Dehnungselement umfasst beispielsweise zumindest zwei oder zumindest vier piezoresistive Widerstände. Die piezoresistiven Widerstände sind insbesondere zu einem Netzwerk, wie zum Beispiel einer Halbbrücke, einer Vollbrücke, einem Spannungsteiler oder einer Wheatstoneschen Messbrücke, miteinander verschaltet. Bei der Verbiegung der Membran und den daraus resultierenden Verspannungen in den piezoresistiven Widerständen kommt es zu einer Veränderung der Widerstandswerte, die dann durch die Verschaltung ermittelt werden kann und in einen Wert für den auf die Membran wirkenden Druck umgerechnet werden kann.The expansion element comprises, for example, at least two or at least four piezoresistive resistors. The piezoresistive resistors are connected to one another in particular to form a network, such as a half bridge, a full bridge, a voltage divider or a Wheatstone measuring bridge. When the membrane is bent and the resulting tensions in the piezoresistive resistors occur, the resistance values change, which can then be determined by the connection and converted into a value for the pressure acting on the membrane.

Die piezoresistiven Widerstände sind dielektrisch voneinander und bevorzugt auch von dem Siliziumsubstrat isoliert. Die dielektrische Isolierung ist zum Beispiel zumindest teilweise durch die SiO2-Schicht realisiert. Insbesondere sind also die piezoresistiven Widerstände nicht durch halbleitendes Material derart miteinander verbunden, dass bei hohen Temperaturen ein Stromfluss zwischen den Widerständen auftreten könnte. Anders ausgedrückt sind die piezoresistiven Widerstände nicht allein durch pn-Übergänge voneinander elektrisch isoliert.The piezoresistive resistors are dielectrically insulated from each other and preferably also from the silicon substrate. The dielectric insulation is, for example, at least partially achieved by the SiO 2 layer. In particular, the piezoresistive resistors are not connected to each other by semiconducting material in such a way that a current flow could occur between the resistors at high temperatures. In other words, the piezoresistive resistors are not electrically insulated from each other by pn junctions alone.

In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Sensor einen Verformungskörper mit einer Membran zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium und ein auf die Membran aufgebrachtes und auf der Membran befestigtes Dehnungselement. Das Dehnungselement basiert auf SOI-Technologie und weist mehrere piezoresistive Widerstände auf.In at least one embodiment, the sensor comprises a deformation body with a membrane for deformation when pressure is applied by a medium and a Strain element. The strain element is based on SOI technology and has several piezoresistive resistors.

Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, ein Dehnungselement auf Basis von SOI-Technologie auf einem Verformungskörper mit einer Membran anzuordnen. Bei der Verwendung eines Dehnungselements auf Basis von SOI-Technologie sind die piezoresistiven Widerstände dielektrisch voneinander isoliert. Dies erlaubt im Gegensatz zu pnisolierten piezoresistiven Widerständen die Verwendung auch bei hohen Temperaturen. Die Isolation zwischen den piezoresistiven Widerständen bleibt hier nämlich auch bei hohen Temperaturen erhalten und stabil. So kann der hier beschriebene Sensor beispielsweise bei Temperaturen von über 250 °C, beispielsweise bei 400 °C eingesetzt werden.The present invention is based, among other things, on the idea of arranging a strain element based on SOI technology on a deformation body with a membrane. When using a strain element based on SOI technology, the piezoresistive resistors are dielectrically insulated from one another. In contrast to pni-insulated piezoresistive resistors, this allows use even at high temperatures. The insulation between the piezoresistive resistors remains stable even at high temperatures. The sensor described here can therefore be used at temperatures of over 250 °C, for example at 400 °C.

Der zu dem Dehnungselement separate Verformungskörper mit der Membran kann zudem so gewählt werden, dass er aggressiven Medien, wie zum Beispiel Abgasen oder einem Kraftstoff, standhält. Insbesondere wird der Sensor dann so verwendet, dass die Zuführung des Mediums von einer dem Dehnungselement abgewandten Seite erfolgt, so dass das Medium bevorzugt nicht mit dem Dehnungselement in Kontakt kommt.The deformation body with the membrane, which is separate from the expansion element, can also be selected so that it can withstand aggressive media, such as exhaust gases or fuel. In particular, the sensor is then used in such a way that the medium is supplied from a side facing away from the expansion element, so that the medium preferably does not come into contact with the expansion element.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die piezoresistiven Widerstände lateral freigestellte Si-Widerstände. Das heißt, die Widerstände sind in lateraler Richtung durch einen gasgefüllten Graben oder Zwischenraum voneinander beabstandet. Der Bereich zwischen je zwei Widerständen ist also nicht oder nicht vollständig mit festem Material aufgefüllt. Insbesondere stehen die piezoresistiven Widerstände in Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Membran hervor. Die Widerstände umfassen oder bestehen beispielsweise aus p- oder n-dotiertem Silizium. Zwischen den Widerständen und dem Siliziumsubstrat ist bevorzugt die SiO2-Schicht angeordnet, sodass die Si-Widerstände von der SiO2-Schicht gestützt sind.According to at least one embodiment, the piezoresistive resistors are laterally exposed Si resistors. This means that the resistors are spaced apart from one another in the lateral direction by a gas-filled trench or gap. The area between two resistors is therefore not or not completely filled with solid material. In particular, the piezoresistive resistors protrude in the direction perpendicular to the main extension plane of the membrane. The resistors comprise or consist of for example made of p- or n-doped silicon. The SiO 2 layer is preferably arranged between the resistors and the silicon substrate so that the Si resistors are supported by the SiO2 layer.

Die piezoresistiven Widerstände umfassen jeweils einen räumlich freigestellten Si-Nanodraht (Si-Nanowire) oder bestehen daraus. Ein Aspektverhältnis der Nanodrähte beträgt beispielsweise jeweils zumindest 5 oder zumindest 10 oder zumindest 20. Die Si-Nanodrähte bestehen beispielsweise jeweils aus p- oder n-dotiertem Silizium. Die Längsachsen der Si-Nanodrähte erstrecken sich bevorzugt parallel zur Haupterstreckungsebene der Membran. "Räumlich freigestellt" bedeutet, dass die Si-Nanodrähte über einen Teil ihrer Länge nicht gestützt sondern unterhöhlt sind. Die SiOg-Schicht kann dazu im Bereich unterhalb der Nanodrähte entfernt sein, so dass die Nanodrähte in vertikaler Richtung frei schwingen können. Beispielsweise sind die Nanodrähte nur an ihren längsseitigen Enden gestützt und liegen dort beispielsweise auf der SiO2-Schicht auf.The piezoresistive resistors each comprise or consist of a spatially free Si nanowire (Si nanowire). The aspect ratio of the nanowires is, for example, at least 5 or at least 10 or at least 20. The Si nanowires each consist, for example, of p- or n-doped silicon. The longitudinal axes of the Si nanowires preferably extend parallel to the main extension plane of the membrane. "Spatially free" means that the Si nanowires are not supported over part of their length but are undermined. The SiOg layer can be removed in the area below the nanowires so that the nanowires can oscillate freely in the vertical direction. For example, the nanowires are only supported at their long ends and rest there, for example, on the SiO 2 layer.

In nicht erfindungsgemäßen Ausführungen können die Nanodrähte auch nicht unterhöhlt sein und entlang ihrer gesamten Länge gestützt sein, zum Beispiel durch die SiO2-Schicht.In embodiments not according to the invention, the nanowires may also not be undermined and may be supported along their entire length, for example by the SiO 2 layer.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Verbindungsmittel zwischen der Membran und dem Dehnungselement angeordnet. Über das Verbindungsmittel ist das Dehnungselement auf der Membran befestigt. Das Verbindungsmittel grenzt insbesondere auf einer Seite an die Membran und auf einer gegenüberliegenden Seite an das Siliziumsubstrat des Dehnungselements. Das Verbindungsmittel ist bevorzugt so gewählt, dass die Verbindung auch bei hohen Drücken auf der Membran, beispielsweise von mehr als 100 bar, und bei hohen Temperaturen, beispielsweise von mehr als 250 °C, stabil bleibt. Das Verbindungsmittel besteht beispielsweise aus anderen Materialien als das Dehnungselement und der Verformungskörper. Eine maximale und/oder mittlere Dicke des Verbindungsmittels, gemessen senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Membran, beträgt zum Beispiel höchstens 20 µm, beispielsweise zwischen einschließlich 5 µm und 10 µm. Das Verbindungsmittel weist bevorzugt einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient wie die Membran auf. Zum Beispiel weichen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Membran und des Verbindungsmittels um höchstens 10 % voneinander ab.According to at least one embodiment, a connecting means is arranged between the membrane and the expansion element. The expansion element is attached to the membrane via the connecting means. The connecting means borders on the membrane on one side and on an opposite side on the Silicon substrate of the expansion element. The connecting element is preferably selected so that the connection remains stable even at high pressures on the membrane, for example of more than 100 bar, and at high temperatures, for example of more than 250 °C. The connecting means consists, for example, of different materials than the expansion element and the deformation body. A maximum and/or average thickness of the connecting means, measured perpendicular to the main extension plane of the membrane, is, for example, at most 20 µm, for example between 5 µm and 10 µm inclusive. The connecting means preferably has a similar thermal expansion coefficient to that of the membrane. For example, the thermal expansion coefficients of the membrane and the connecting means differ from one another by at most 10%.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der E-Modul des Verbindungsmittels mindestens so groß wie der der Membran. Beispielsweise ist der E-Modul des Verbindungsmittels zumindest 5 % oder zumindest 10 % größer als der E-Modul der Membran. Durch die Verwendung eines solchen Verbindungsmittels wird erreicht, dass beim Verbiegen der Membran und der damit einhergehenden Verbiegung des Verbindungsmittels die Verbindung zwischen Membran und Dehnungselement nicht zerstört wird. Bei bestimmungsgemäß auftretenden Drücken findet eine Verformung des Verbindungsmittels bevorzugt im Hook'schen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms des Elastizitätsmoduls statt.According to at least one embodiment, the modulus of elasticity of the connecting means is at least as large as that of the membrane. For example, the modulus of elasticity of the connecting means is at least 5% or at least 10% larger than the modulus of elasticity of the membrane. By using such a connecting means, it is ensured that when the membrane is bent and the connecting means bends as a result, the connection between the membrane and the expansion element is not destroyed. When pressures occur as intended, the connecting means is deformed preferably in the Hooke region of the stress-strain diagram of the modulus of elasticity.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht das Verbindungsmittel aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Glaslot, Metalllot, anorganischer Klebstoff, organischer Klebstoff. Zum Beispiel ist das Verbindungsmaterial ein Au-Sn-Lot. Solche Verbindungsmittel gewährleisten insbesondere eine stabile Verbindung auch bei hohen Drücken und Temperaturen. Insbesondere ist das Verbindungsmaterial aus einem solchen Material gebildet, dass dieses sich im bestimmungsgemäßen Betrieb, beispielswiese bei Drücken bis zu 1000 bar, nur reversibel verformt.According to at least one embodiment, the connecting means comprises or consists of one or more of the following materials: glass solder, metal solder, inorganic adhesive, organic adhesive. For example, the connecting material is an Au-Sn solder. Such connecting means ensure a stable connection even at high pressures and temperatures. In particular, the connecting material is made of such a material that it only deforms reversibly during normal use, for example at pressures of up to 1000 bar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt das Dehnungselement einen Großteil der Membran. Beispielsweise überdeckt in Draufsicht betrachtet das Dehnungselement zumindest 50 % oder zumindest 75 % oder zumindest 90 % der Membran. Insbesondere überdeckt das Dehnungselement alle Bereiche der Membran, die nicht durch den Trägerkörper gestützt sind.According to at least one embodiment, the expansion element covers a large part of the membrane. For example, when viewed from above, the expansion element covers at least 50% or at least 75% or at least 90% of the membrane. In particular, the expansion element covers all areas of the membrane that are not supported by the carrier body.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Dehnungselement über einen Großteil seiner lateralen Ausdehnung mit der Membran verbunden. Die laterale Ausdehnung des Dehnungselements ist dabei dessen Ausdehnung parallel zur Haupterstreckungsebene der Membran. Beispielsweise ist das Dehnungselement entlang zumindest 75 % oder zumindest 90 % oder entlang seiner gesamten lateralen Ausdehnung mit der Membran verbunden und durch die Membran gestützt. Dabei kann das Dehnungselement unmittelbar mit der Membran verbunden sein oder mittelbar durch das Verbindungsmittel mit der Membran verbunden sein. Besonders bevorzugt ist zwischen dem Dehnungselement und der Membran kein gasgefüllter Hohlraum ausgebildet, in dem das Dehnungselement nicht durch die Membran gestützt ist.According to at least one embodiment, the expansion element is connected to the membrane over a large part of its lateral extent. The lateral extent of the expansion element is its extent parallel to the main extension plane of the membrane. For example, the expansion element is connected to the membrane along at least 75% or at least 90% or along its entire lateral extent and is supported by the membrane. The expansion element can be connected directly to the membrane or indirectly to the membrane via the connecting means. Particularly preferably, no gas-filled cavity in which the expansion element is not supported by the membrane is formed between the expansion element and the membrane.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Dehnungselement eine maximale Dicke von höchstens 200 µm oder höchstens 150 µm oder höchstens 100 µm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die maximale Dicke des Dehnungselements zumindest 10 µm oder zumindest 20 µm. Die Dicke wird auch hier senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Dehnungselements gemessen. Um eine geringe Dicke des Dehnungselements zu erreichen, kann das Siliziumsubstrat gegenüber seiner anfänglichen Dicke, die es im Waferverbund hat, gedünnt sein, beispielsweise durch Schleifen.According to at least one embodiment, the expansion element has a maximum thickness of at most 200 µm or at most 150 µm or at most 100 µm. Alternatively or additionally, the maximum thickness of the expansion element is at least 10 µm or at least 20 µm. Here, too, the thickness is measured perpendicular to the main extension plane of the expansion element. In order to achieve a small thickness of the expansion element, the silicon substrate can be thinned compared to its initial thickness that it has in the wafer composite, for example by grinding.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht der Verformungskörper, insbesondere die Membran, aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Glas, Saphir, Silizium, Stahl, wie zum Beispiel Edelstahl, Keramik, wie zum Beispiel ZrO2 oder Al2O3. Insbesondere ist die Membran aus einem solchen Material gebildet, dass diese sich im bestimmungsgemäßen Betrieb, beispielswiese bei Drücken bis zu 1000 bar, nur reversibel verformt.According to at least one embodiment, the deformation body, in particular the membrane, comprises or consists of one or more of the following materials: glass, sapphire, silicon, steel, such as stainless steel, ceramic, such as ZrO 2 or Al 2 O 3 . In particular, the membrane is formed from such a material that it only deforms reversibly during normal operation, for example at pressures of up to 1000 bar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die piezoresistiven Widerstände in einem Randbereich der Membran angeordnet. Bevorzugt sind die piezoresistiven Widerstände dabei in einem Bereich der Membran angeordnet, der nicht von dem Trägerkörper gestützt ist, der aber unmittelbar an den Trägerkörper angrenzt. Insbesondere sind die piezoresistiven Widerstände in dem Bereich der Membran angeordnet, in dem die Membran und damit das Dehnungselement bei einer Druckeinwirkung die größte Biegespannung erfährt. Dass die piezoresistiven Widerstände in einem Bereich der Membran angeordnet sind meint, dass die piezoresistiven Widerstände in Draufsicht betrachtet mit diesem Bereich überlappen.According to at least one embodiment, the piezoresistive resistors are arranged in an edge region of the membrane. The piezoresistive resistors are preferably arranged in a region of the membrane that is not supported by the carrier body, but which is directly adjacent to the carrier body. In particular, the piezoresistive resistors are arranged in the region of the membrane in which the membrane and thus the expansion element experiences the greatest bending stress when pressure is applied. The fact that the piezoresistive resistors are arranged in a region of the membrane means that the piezoresistive resistors overlap with this region when viewed from above.

Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung eines Sensors angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines hier beschriebenen Sensors. Alle im Zusammenhang mit dem Sensor offenbarten Merkmale sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.Next, the method for producing a sensor is specified. The method is particularly suitable for producing a sensor described here. All features disclosed in connection with the sensor are therefore also disclosed for the procedure and vice versa.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt A), in dem ein Verformungskörper mit einer Membran zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium bereitgestellt wird. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt B), in dem ein Dehnungselement bereitgestellt wird, wobei das Dehnungselement auf SiOg-Technologie basiert und mehrere piezoresistive Widerstände aufweist. In einem Schritt C) wird das Dehnungselement dann auf der Membran aufgebracht und befestigt.According to at least one embodiment, the method comprises a step A) in which a deformation body with a membrane for deformation under the action of pressure by a medium is provided. The method further comprises a step B) in which an expansion element is provided, wherein the expansion element is based on SiOg technology and has several piezoresistive resistors. In a step C), the expansion element is then applied to the membrane and attached.

Das Dehnungselement wird beispielsweise aus einem Waferverbund gefertigt, der ein Siliziumsubstrat, eine Siliziumschicht und eine zwischen der Siliziumschicht und dem Siliziumsubstrat angeordnete Siliziumdioxidschicht (SiO2-Schicht) umfasst. Die piezoresistiven Widerstände werden dann aus der Siliziumschicht gefertigt, beispielsweise durch Ätzen. Anschließend kann das Siliziumsubstrat auf eine gewünschte Dicke, beispielsweise durch Schleifen, gedünnt werden.The expansion element is manufactured, for example, from a wafer composite comprising a silicon substrate, a silicon layer and a silicon dioxide layer (SiO 2 layer) arranged between the silicon layer and the silicon substrate. The piezoresistive resistors are then manufactured from the silicon layer, for example by etching. The silicon substrate can then be thinned to a desired thickness, for example by grinding.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Dehnungselement über ein Direktbondverfahren auf der Membran befestigt. Beispielsweise wird dabei das Siliziumsubstrat des Dehnungselements in direkten Kontakt mit der Membran, die beispielsweise aus Keramik gebildet ist, gebracht.According to at least one embodiment, the expansion element is attached to the membrane using a direct bonding process. For example, the silicon substrate of the expansion element is brought into direct contact with the membrane, which is made of ceramic, for example.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Dehnungselement über ein Verbindungsmittel auf der Membran befestigt.According to at least one embodiment, the expansion element is attached to the membrane via a connecting means.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Sensors und des Verfahrens zur Herstellung eines Sensors ergeben sich aus den folgenden in Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.Further advantages and advantageous configurations and Further developments of the sensor and the method for producing a sensor result from the following exemplary embodiments shown in conjunction with the figures. Identical, similar or equivalent elements are provided with the same reference numerals in the figures. The figures and the size relationships of the elements shown in the figures to one another are not to be regarded as being to scale. Rather, individual elements, in particular layer thicknesses, can be shown exaggeratedly large for better representation and/or for better comprehensibility.

Es zeigen:

  • Figuren 1 und 2 Ausführungsbeispiele des Sensors jeweils in Querschnittsansicht,
  • Figuren 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel des Sensors in Querschnittsansicht und in Draufsicht,
  • Figur 5 eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung des Sensors.
Show it:
  • Figures 1 and 2 Examples of the sensor in cross-sectional view,
  • Figures 3 and 4 an embodiment of the sensor in cross-sectional view and in plan view,
  • Figure 5 a position in an embodiment of the method for producing the sensor.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensors in einer Querschnittsansicht. Der Sensor umfasst einen Verformungskörper 1 mit einer Membran 10 und einem Trägerkörper 11. Die Membran 10 ist in Randbereichen durch den Trägerkörper 11 gestützt. In einem inneren Bereich der Membran 10 ist diese nicht durch den Trägerkörper 11 gestützt und ist dort frei schwingbar oder frei biegbar gegenüber dem Trägerkörper 11. Vorliegend sind die Membran 10 und der Trägerkörper 11 einstückig ausgebildet, und bestehen zum Beispiel aus Keramik. Es ist aber auch möglich, dass der Trägerkörper 11 und die Membran 10 nicht einstückig miteinander ausgebildet sind und zum Beispiel aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Figure 1 shows a first embodiment of the sensor in a cross-sectional view. The sensor comprises a deformation body 1 with a membrane 10 and a carrier body 11. The membrane 10 is supported in edge areas by the carrier body 11. In an inner area of the membrane 10, it is not supported by the carrier body 11 and is freely oscillating or freely bendable relative to the carrier body 11. In the present case, the membrane 10 and the carrier body 11 are formed in one piece and consist, for example, of ceramic. However, it is also possible that the The carrier body 11 and the membrane 10 are not formed integrally with one another and, for example, consist of different materials.

Auf einer dem Trägerkörper 11 abgewandten Seite der Membran 10 ist ein Dehnungselement 2 angeordnet. Das Dehnungselement 2 ist ein Halbleiterchip auf Basis von SOI-Technologie. Das Dehnungselement 2 umfasst ein Siliziumsubstrat 22 und eine SiO2-Schicht 21 auf dem Siliziumsubstrat 22. Auf einer dem Siliziumsubstrat 22 abgewandten Seite der SiO2-Schicht 21 sind lateral freigestellte, piezoresistive Widerstände 20 aus Silizium angeordnet. Die piezoresistiven Widerstände 20 sind durch die SiO2-Schicht elektrisch voneinander und auch von dem Siliziumsubstrat 22 isoliert. Auf einer dem Siliziumsubstrat 22 abgewandten Seite sind die piezoresistiven Widerstände 20 durch eine Passivierungsschicht 23, beispielsweise aus Siliziumnitrid, passiviert. Über metallische Leiterbahnen 24 sind die piezoresistiven Widerstände 20 elektrisch kontaktiert.An expansion element 2 is arranged on a side of the membrane 10 facing away from the carrier body 11. The expansion element 2 is a semiconductor chip based on SOI technology. The expansion element 2 comprises a silicon substrate 22 and a SiO 2 layer 21 on the silicon substrate 22. Laterally exposed piezoresistive resistors 20 made of silicon are arranged on a side of the SiO 2 layer 21 facing away from the silicon substrate 22. The piezoresistive resistors 20 are electrically insulated from one another and also from the silicon substrate 22 by the SiO 2 layer. On a side facing away from the silicon substrate 22, the piezoresistive resistors 20 are passivated by a passivation layer 23, for example made of silicon nitride. The piezoresistive resistors 20 are electrically contacted via metallic conductor tracks 24.

Im Betrieb des Sensors wird zum Beispiel die dem Dehnungselement 2 abgewandte Seite der Membran 10 mit einem Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit, wie Öl oder Wasser, in Kontakt gebracht. Durch den durch das Medium auf die Membran 10 ausgeübten Druck verbiegt sich die Membran 10. Dadurch wird auch das Dehnungselement 2 verbogen und die piezoresistiven Widerstände 20 werden verspannt. Durch diese Verspannung ändert sich der Widerstandswert der piezoresistiven Widerstände 20, was über die Kontaktierung durch die Leiterbahnen 24 messbar ist. Vorliegend sind die piezoresistiven Widerstände 20 beispielsweise zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet.When the sensor is in operation, for example, the side of the membrane 10 facing away from the expansion element 2 is brought into contact with a medium, for example a liquid such as oil or water. The pressure exerted by the medium on the membrane 10 causes the membrane 10 to bend. This also bends the expansion element 2 and the piezoresistive resistors 20 are stressed. This stress changes the resistance value of the piezoresistive resistors 20, which can be measured via the contact through the conductor tracks 24. In this case, the piezoresistive resistors 20 are connected to form a Wheatstone measuring bridge, for example.

In der Figur 1 ist das Dehnungselement 2 direkt auf die Membran 10 aufgebracht, derart dass das Siliziumsubstrat 22 in direktem Kontakt zur Membran 10 steht. Zum Beispiel ist das Dehnungselement 2 über Direktbonden auf die Membran 10 aufgebracht. Das Dehnungselement 2 überdeckt die Membran 10, insbesondere den nicht gestützten Teil der Membran 10, vollständig. Dabei ist das Dehnungselement 2 entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Dehnungselements 2 mit der Membran 10 direkt verbunden.In the Figure 1 the expansion element 2 is applied directly to the membrane 10 such that the silicon substrate 22 is in direct contact with the membrane 10. For example, the expansion element 2 is applied to the membrane 10 via direct bonding. The expansion element 2 completely covers the membrane 10, in particular the unsupported part of the membrane 10. The expansion element 2 is directly connected to the membrane 10 along the entire lateral extent of the expansion element 2.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensors. Das Dehnungselement 2 ist hier genauso aufgebaut wie in der Figur 1. Anders als in der Figur 1 ist das Dehnungselement 2 aber über ein Verbindungsmittel 3 auf der Membran 10 aufgebracht und über dieses mit der Membran 10 verbunden. Bei dem Verbindungsmittel 3 handelt es sich beispielsweise um ein Glaslot oder ein Metalllot oder einen organischen Klebstoff oder einen anorganischen Klebstoff. Der E-Modul des Verbindungsmittels 3 ist bevorzugt zumindest so groß wie das der Membran 10. Vorliegend besteht die Membran 10 beispielsweise aus Edelstahl. Figure 2 shows a second embodiment of the sensor. The expansion element 2 is constructed in the same way as in the Figure 1 . Unlike in the Figure 1 However, the expansion element 2 is applied to the membrane 10 via a connecting means 3 and is connected to the membrane 10 via this. The connecting means 3 is, for example, a glass solder or a metal solder or an organic adhesive or an inorganic adhesive. The modulus of elasticity of the connecting means 3 is preferably at least as large as that of the membrane 10. In the present case, the membrane 10 is made of stainless steel, for example.

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Sensors in Querschnittsansicht. Hier umfassen die piezoresistiven Widerstände 20 jeweils einen Nanodraht (Nanowire) aus Silizium. Die Nanodrähte sind räumlich freigestellt derart, dass die Nanodrähte zumindest in Bereichen nicht gestützt und frei über dem Siliziumsubstrat 22 hängen. Die SiO2-Schicht ist also im Bereich unterhalb der Nanodrähte bereichsweise entfernt, so dass dort die Nanodrähte nicht von der SiO2-Schicht gestützt sind. Wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel ist hier das Dehnungselement 2 wieder mithilfe eines Verbindungsmittels 3 an der Membran 10 befestigt. Figure 3 shows a third embodiment of the sensor in cross-sectional view. Here, the piezoresistive resistors 20 each comprise a nanowire made of silicon. The nanowires are spatially freed in such a way that the nanowires are at least in areas unsupported and hang freely above the silicon substrate 22. The SiO 2 layer is thus partially removed in the area below the nanowires so that the nanowires are not supported by the SiO 2 layer there. As in the second embodiment, the expansion element 2 is again attached to the membrane 10 using a connecting means 3.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf das dritte Ausführungsbeispiel des Sensors. Zu erkennen ist, dass das Dehnungselement 2 vier piezoresistive Widerstände 20 jeweils mit einem Nanodraht umfasst. Die piezoresistiven Widerstände 20 sind über metallische Leiterbahnen 23 miteinander zu einer Wheatstonschen Messbrücke verschaltet. Figure 4 shows a top view of the third embodiment of the sensor. It can be seen that the expansion element 2 comprises four piezoresistive resistors 20, each with a nanowire. The piezoresistive resistors 20 are connected to one another via metallic conductor tracks 23 to form a Wheatstone measuring bridge.

Figur 5 zeigt eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Sensors. Hier sind ein Dehnungselement 2 auf Basis von SOI-Technologie mit mehreren piezoresistiven Widerständen 20 sowie ein Verformungskörper 1 mit einer Membran 10 bereitgestellt. Das Dehnungselement 2 wird auf die Membran 10 aufgebracht und auf dieser befestigt. Hier ist der Fall gezeigt, bei dem das Dehnungselement 2 unmittelbar, beispielsweise durch Direktbonden, auf die Membran 10 aufgebracht wird. Alternativ könnte das Dehnungselement 2 mithilfe eines Verbindungsmittels auf der Membran 10 befestigt werden. Figure 5 shows a position in an embodiment of the method for producing a sensor. Here, a strain element 2 based on SOI technology with several piezoresistive resistors 20 and a deformation body 1 with a membrane 10 are provided. The strain element 2 is applied to the membrane 10 and fastened thereto. Here, the case is shown in which the strain element 2 is applied directly to the membrane 10, for example by direct bonding. Alternatively, the strain element 2 could be fastened to the membrane 10 using a connecting means.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.The invention is not limited to the embodiments by the description thereof. Rather, the invention encompasses any new feature and any combination of features, which in particular includes any combination of features in the patent claims, even if these features or this combination themselves are not explicitly stated in the patent claims or embodiments.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
VerformungskörperDeformation body
22
DehnungselementExpansion element
33
VerbindungsmittelConnecting elements
1010
Membranmembrane
1111
TrägerkörperCarrier body
2020
piezoresistiver Widerstandpiezoresistive resistor
2121
SiO2-SchichtSiO 2 layer
2222
SiliziumsubstratSilicon substrate
2323
PassivierungsschichtPassivation layer
2424
LeiterbahnConductor track

Claims (13)

  1. Sensor comprising
    - a deformation body (1) having a diaphragm (10) for deformation when subjected to pressure by a medium,
    - a strain element (2) applied to the diaphragm (10) and secured on the diaphragm (10), wherein
    - the strain element (2) is based on SOI technology and has a silicon substrate (22), a silicon dioxide layer (21) and a plurality of piezoresistive resistors (20),
    characterized in that the piezoresistive resistors (20) each comprise a spatially freed Si nanowire, wherein spatially freed means that the Si nanowires are undercut rather than supported over part of their length.
  2. Sensor according to Claim 1,
    wherein the piezoresistive resistors (20) are laterally freed Si resistors.
  3. Sensor according to either of the preceding claims,
    wherein
    - a connecting means (3) is arranged between the diaphragm (10) and the strain element (2),
    - the strain element (2) is secured on the diaphragm (10) via the connecting means (3).
  4. Sensor according to Claim 3,
    wherein the modulus of elasticity of the connecting means (3) is at least equal to that of the diaphragm (10).
  5. Sensor according to Claim 3 or 4,
    wherein the connecting means (3) comprises a glass solder or a metal solder or an inorganic adhesive or an organic adhesive.
  6. Sensor according to any of the preceding claims,
    wherein the strain element (2) covers a large portion of the diaphragm (10).
  7. Sensor according to any of the preceding claims,
    wherein the strain element (2) is connected to the diaphragm (10) over a large portion of its lateral extent.
  8. Sensor according to any of the preceding claims,
    wherein the strain element (2) has a maximum thickness of at most 200 µm.
  9. Sensor according to any of the preceding claims,
    wherein the deformation body (1) comprises or consists of one or more of the following materials:
    glass, sapphire, silicon, steel, ceramic.
  10. Sensor according to any of the preceding claims,
    wherein the piezoresistive resistors (21) are arranged in an edge region of the diaphragm (10).
  11. Method for producing a sensor, comprising the steps:
    A) providing a deformation body (1) having a diaphragm (10) for deformation when subjected to pressure by a medium,
    B) providing a strain element (2), wherein the strain element (2) is based on SOI technology and has a silicon substrate (22), a silicon dioxide layer (21) and a plurality of piezoresistive resistors (20), wherein the piezoresistive resistors (20) each comprise a spatially freed Si nanowire, wherein spatially freed means that the Si nanowires are undercut rather than supported over part of their length,
    C) applying and securing the strain element (2) on the diaphragm (10).
  12. Method according to Claim 11,
    wherein the strain element (2) is secured on the diaphragm (10) via a direct bonding method.
  13. Method according to Claim 11,
    wherein the strain element (2) is secured on the diaphragm (10) via a connecting means (3).
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